楼宇型分布式能源系统在数据中心的应用

李正茂，陈晓丽

（1.中国石油化工股份有限公司抚顺石油化工研究院，辽宁抚顺113001；2.北京恩耐特分布能源技术有限公司，北京100035）

楼宇型分布式能源系统在数据中心的应用

李正茂1，陈晓丽2

（1.中国石油化工股份有限公司抚顺石油化工研究院，辽宁抚顺113001；2.北京恩耐特分布能源技术有限公司，北京100035）

楼宇型分布式能源系统是综合解决楼宇电、冷、热需求的有效手段。数据中心的冷电比与分布式能源系统所提供的冷电比接近，且全年电、冷负荷需求平稳，适宜采用分布式能源系统。通过对天津某数据中心运行的能源需求的分析，制定了分布式能源站技术方案。在保证系统安全性的基础上，实现低碳经济运行。

分布式能源系统；数据中心；内燃发电机组；吸收式冷温水机组

0 引言

分布式能源系统是指分布在用户侧的能源梯级利用和可再生能源及资源综合利用设施，通过在现场对能源实现温度对口梯级利用，尽量减少中间输送环节的损耗，实现对资源利用的最大化和系统与投资的最优化的能源系统。[1，2]分布式能源系统与集中发电、远距离输电和大电网供电为特点的传统电力相比，具有节省投资、降低损耗、提高系统可靠性、能源种类多样化、减少污染等优点，是传统电力系统的有益补充。

1 天然气分布式能源在数据中心供能的优势

天然气分布式能源是分布式能源系统中技术最成熟、成本较低的供能方式。国际上分布式能源系统主要是以天然气资源为主，以天然气为燃料冷热电联供已经成为分布式能源的主要内容。

天然气分布式能源是指利用天然气为燃料，通过冷热电三联供等方式实现能源的梯级利用，综合能源利用效率在70%以上，并在负荷中心就近实现能源供应的现代能源供应方式，是天然气高效利用的重要方式。[3]按其供能规模来分，可分为楼宇型和区域型两种。

楼宇型天然气分布式能源系统是综合解决楼宇电、冷、热需求的有效手段。其主要方式是由发电机组燃烧天然气产生电能，排出的烟气和缸套水通过余热型吸收式冷温水机组回收进行制冷和制热，如图1所示。由于实现了能源的梯级利用，天然气分布式能源系统的能源综合利用率达到70%-85%，降低了一次能源消耗，减少了温室气体排放。

图1 楼宇型分布式能源系统

数据中心是实现数据信息集中处理、存储、传输、交换、管理等功能的服务平台。数据中心具有用电密度高、冷量需求大、供能可靠性要求高等特点。相关数据显示，我国数据中心发展迅猛，总量已超过40万个，年耗电量超过全社会用电量的1.5%，其中大多数数据中心的PUE（平均电能使用效率）仍普遍大于2.2，与国际先进水平相比有较大差距，节能潜力巨大[4]。推动数据中心绿色改造，实现数据中心能源效率最大化，环境影响最小化，全面提升社会节能环保水平具有十分重要的意义。

数据中心是利用天然气分布式能源较佳应用场景。首先，天然气分布式能源系统所提供的冷电比与数据中心所需的冷电比都接近1.1，有较好的吻合匹配度。其次，数据中心全年具有平稳的电、冷负荷需求，可保证分布式能源具有较高的年运行小时数，提高年平均能源综合利用率。与网电相结合，可以多提供一路可靠的电源，减少对电网的依赖程度，提高系统的供电安全性。另外，天然气分布式能源系统能够实现就近供能，可以解决数据中心高用电密度对城市供电负荷产生影响的问题。

本文以天津某数据中心为例，通过对该数据中心的能源需求的分析，制定了天然气分布式能源系统为该数据中心供能方案，分析了系统运行的安全性和效益。

2 数据中心负荷需求

天津某A级数据中心建筑面积1000m2，主机房由103个机柜组成。

2.1 电负荷

数据中心电负荷需求主要包括：IT设备、冷却塔水泵、风机、辅助设备、建筑照明等常规设备耗电。根据数据中心提供资料，扣除空调系统制冷电负荷，数据中心全年电负荷基本维持在735kW。

2.2 冷负荷

数据中心所需的冷负荷主要来源于机房电子信息设备散热，约占总发热量的80%以上，且全年不间断运行，全年均需要供冷。数据中心机房多处于建筑内区，冷负荷随季节变化波动不大，波动范围在0.8～1.0[5]。根据《电子信息机房设计规范》GB50174，参考国内类似数据中心相关统计信息，结合数据中心提供资料，数据中心夏季冷负荷为900kW，冬季冷负荷为850kW。

数据中心负荷需求，见表1。

表1 数据中心各季节负荷需求分析kW

3 传统供能方案

我国2008年颁布执行的《电子信息机房设计规范》GB50174对电子信息系统机房做了严格的技术要求。根据不同类型和等级的数据中心有不同的供能要求，传统的A、B类数据中心供能方式是采用市电供电，利用集中式电空调制冷。供电系统采用双路市电、两套独立的UPS系统，每套为N+X冗余；冗余备用柴油发电机，具备10s启动能力，燃料不少于72h。供冷系统采用电制冷机组，采用N+1配置。

柴油发电机隔十天左右要启动一次，以防止久置失效，并保证处于良好备用状态。考虑到有双路市电失电的可能性，后备柴油发电机的基本容量应包括不间断电源系统的基本容量、空调和制冷设备的基本容量、应急照明和消防等设计生命安全的负荷容量。当柴油发电机作为后备电源时，不间断电源电池备用时间按15分钟选取。

由上可知，采用传统供能方式，数据中心的电、冷负荷都转化为电负荷，对电力需求大。目前，数据中心的电力供应以市电为主，对电网存在较大的依赖，数据中心的用能安全性和可靠性受到电网制约。高用电比和高电价导致每年要支付高额的购电费用，据统计电费成本占数据中心总运营成本的30%-50%。

4 楼宇型分布式能源系统解决方案

4.1 装机方案

在传统供能基础上，建设天然气分布式能源系统，采用天然气内燃机组发电为数据中心和能源站提供所需电力的同时，利用发电余热通过烟气热水型吸收式冷温水机组（以下简称吸收式机组）为数据中心提供所需冷量。利用原有或安装电制冷冷水机组，当吸收式机组无法正常工作时或谷值电价时采用电制冷方式为数据中心提供所需冷量。

根据现场用能情况拟采用下列装机方案，见表2。

表2 分布式能源系统主要设备配置

考虑到系统安全性，系统拟采用双路市电、双路气源、两套独立的UPS系统和一套水蓄冷装置。供能系统示意图，如图2所示。

在能源站附近建设一套水蓄冷装置。谷值电价时，利用电制冷机组过剩制冷量蓄冷，当吸收式机组制冷量少于数据中心所需冷量且运行电制冷装置不经济时，可先利用蓄冷装置提供所需冷量。采用水蓄冷装置后可提高系统供冷安全性和稳定性，利用谷值电价进行蓄冷可提高系统经济性。

4.2 运行方案

分布式能源采用模块化结构，每个模块化单元包括一台燃气内燃发电机组和一台吸收式机组。系统运行方式，见表3。

考虑到所在区域峰平谷电价差较大，从提高运行经济性角度出发，在谷值电价和非谷值电价时采用两种运行方式。非谷值电价时，采用天然气分布式能源运行方式；在谷值电价时，采用传统供能方式。

（1）通常运行方式。

非谷值电价时：

两台内燃发电机组发电供能源站和数据中心使用，内燃发电机组的烟气和高温缸套水进入对应的吸收式机组制冷提供数据中心冷负荷需求。

两台内燃发电机组与电网并网运行，在两路进线开关后加装逆功率保护装置，当发电机组负荷降低，满足不了数据中心电负荷需求时，市电及时补充满足需求。

图2 楼宇型分布式能源供能示意图

两台机组可提供800kW电量，满足发电供能源站和数据中心电力需求；满负荷运行时，吸收式机组可提供数据中心所需冷量。当因负荷波动等原因导致吸收式机组制冷量少于数据中心所需冷量时，差额部分由蓄冷水罐或电制冷机提供。当烟气和缸套水提供的热量过多时，高温烟气可通过电动三通阀排空，保证不影响发电机组正常运行。

在谷值电价时（表3中括号内运行方式）：

采用市电供电，电制冷机组制冷的方式运行，停运两台内燃发电机组和吸收式机组。

（2）一台内燃发电机组或对应的吸收式机组需要检修时。

非检修内燃发电机组和吸收式机组单元运行，启动一台电制冷机组，停运、隔离需检修的内燃发电机组和对应的吸收式机组，电力不足部分由市电提供。两路市电互为热备用，另一台电制冷机组备用。

（3）一路市电失（停）电。

两台内燃发电机组和两台吸收式机组提供所需电力和冷量，另一路市电备用，断开失（停）电侧进线开关，合上两母线分段开关。

（4）两路市电同时失电。

两台内燃发电机组和两台吸收式机组提供所需电力和冷量，UPS作为电力备用，水蓄冷装置作为制冷备用。

（5）天然气源中断。

采用市电供电，电制冷机组制冷的方式运行。两路市电互为热备用，水蓄冷装置作为制冷备用。

表3 分布式能源系统运行方式

4.3 运行情况分析

主要设备性能参数，见表4。

表4 主要设备性能参数

5 效益分析

非谷值电价时采用天然气分布式能源系统为数据中心供能。非谷值电价时，分布式能源系统与常规系统的能耗分析，见表5。

5.1 年平均能源综合利用效率

分布式能源系统年平均能源综合利用效率可采用下式进行计算[6]：

式中v—年平均能源综合利用率，%；

We—年净输出电量，kWh；

Q1—年余热供热总量，MJ；

Q2—年余热供冷总量，MJ；

B—年燃气总耗量，m3；

QL—燃气低位发热量，MJ/m3。

根据表5中的能耗分析结果，可计算出能源站的年平均能源综合利用效率为82.66%。

5.2 设备投资

与传统供能方式相比，系统增加了内燃发电机组、吸收式机组和水蓄冷装置及辅助设备，新增设备投资900万元。利用数据中心地下一层建设能源站，加上工程建设费，整体投资约为1300万元。

5.3 运行费用

表5 非谷值电价时楼宇型分布式能源系统与传统供能系统的能耗分析

非谷值电价期采用分布式能源供能，利用天然气内燃发电机组和吸收式机组可以满足信息中心的用能需求。除谷值电价期间外，基本不需要网购电，年减少购电量573.83万kWh。

所在区域1～10千伏用电的分时电价为：高峰电价1.3141元/kWh，平段电价0.8686元/kWh，低谷电价0.4431元/kWh。减少购电量为高峰和平段，平均电价为1.0914元/kWh，全年可减少购电费用626.28万元。

2015年天津集中供热天然气售价为2.37元/m3，购买天然气年需271.28万元。

综上所述，年平均生产运行费用降低355万元，系统静态投资回收期为3.66a。

5.4 安全性

采用分布式能源供能方式可以达到与传统供能方式同等安全要求。采用分布式供能+双回路市电则可超过传统供能方式的可靠性，将电力短缺时间由3min缩短至7s[7]。

5.5 节能减排量

根据国家发改委气候司公布的《2011年中国区域电网基准线排放因子》，单位发电量CO2排放因子为0.6426t/(MWh)。根据政府间气候变化委员会公布的天然气缺省CO2排放因子为2.0196kg/Nm3。根据表5数据计算，传统供能和楼宇式分布式能源供能方式年CO2排放分别为3695.40t和2319.68t，CO2排放量减少1375.72t，与此同时还可以减少151.81t SO2、75.24t NOX和19.17t粉尘的排放，环境效益显著。

6 结语

数据中心是高耗能单位，其电冷负荷比较平稳，与分布式能源电冷联供所提供的电冷负荷比较为匹配，比较适合采用天然气分布式能源系统供能。通过合理的设计，分布式能源系统的供能安全性和经济性完全能达到甚至超过传统分供系统。天然气分布式能源为数据中心提供一路可靠的电源，提高供电安全性，减少电网的影响；吸收式制冷与电制冷、冰蓄冷互为备用，可以更可靠、更灵活地满足用户的冷负荷需求；非谷值电价采用天然气分布能源供能，谷值电价采用电网供能，实现了对电网和气网的“削峰填谷”，可减少公用设施的投资和运行费用。

楼宇式分布式能源系统应用于数据中心可以提高数据中心用能可靠性，提高能源综合利用率，减少温室气体和污染物排放，具有一定的推广价值。

[1] 刘青荣，等.分布式能源系统及其运行特性分析[J].上海电力学院学报，2009，（5）：427-432.

[2] 王洪旭，刘泽勤.分布式能源系统：一种缓解能源资源短缺的途径[J].建筑科学，2008，（6）：7-11.

[3] 发改能源〔2011〕2196号，关于发展天然气分布式能源的指导意见[S]. [4] 工信部联节〔2015〕82号，国家绿色数据中心试点工作方案[S].

[5] 王强，夏成军，唐智文.分布式能源在数据中心应用的可行性探析[J].电网与清洁能源，2013，（9）：87-90.

[6] 林世平.燃气冷热电分布式能源技术应用手册[M].北京：中国电力出版社，2014.

[7] 贾利访，王思文，周宇昊.美国分布式能源热电联产系统在数据中心的应用分析[J].发电与空调，2014,35（3）：1-3.

修回日期：2016-11-09

Utilization of Building-type Distributed Energy System in Data Centers

LI Zheng-mao1，CHEN Xiao-li2
（1.Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals，SINOPEC，Fushun 113001，China；2.Beijing Energy-Net De.Ltd.，Beijing 100035，China）

Building distributed energy system is an effective method to solve the building cooling, heating and power. The electric cooling ratio of the data center is close to that of the distributed energy system, and the demand for electricity and cooling load is steady, which is suitable for the distributed energy system. Based on the analysis of the energy requirements of a data center in Tianjin, the technology scheme of distributed energy station is developed. On the basis of ensuring system security, low carbon economic operation is realized.

distributed energy resources；data centers；combustion engine generator；absorption chiller-heaters

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.06.002

TM611

B

2095-3429（2016）06-0006-05

李正茂（1974-），男，山东烟台人，大学，学士，高级工程师，从事天然气分布式能源和节能技术研究。

2016-09-08